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熔融挤压快速成型精度分析及加工中文摘要 熔融挤压快速成型精度分析及加工 中文摘要 熔融挤压快速成型( m e m ) 工艺是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺 后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。不用激光，使用、维护简单，成本较低。 在熔融挤压成型中，成型精度和工艺参数对制件的质量有着至关重要的影响，但目前 成型机的精度往往不高，工艺参数有待优化，研究精度和m e m 工艺的参数是该技术 发展的必然趋势。 本文首先叙述了快速成型的原理、特点、存在的问题及发展趋势，重点阐述了熔 融挤压成型技术。 其次从数据处理产生的误差、设备工艺条件所导致的误差以及后处理过程中的误 差三个方面分析了整个m e m 成型过程中影响制件精度的各种因素，并提出了相应的 对策，针对m e m 快速成型工艺中的尺寸精度，确定出影响成型件质量的主要工艺参 数，并基于参数优化设置的m e m 成型工艺规程体现在实验件上。 介绍了快速成型软件a u r o r a ，从输入s t l 模型，校验、修复，进行分层处理后 输出到快速成型系统。 关键词：快速成型、成型精度、a u r o r a 、工艺参数 作者：陈梅干 指导教师：顾德裕 a b s t r a c tb a s e d o nf u z z ys y s t e mi d e n t i f i c a t i o na d im a t e r i a li m p a c tt o u g h n e s sm o d e l a b s t r a c t m e l t e de x t r u s i o nm o l d i n g ( m e m ) i sak i n do f w i d e l y u s e dr a p i dp r o t o t y p i n gp r o c e s s a f t e rs t e r e o l i t h o g r a p h ya n dl a m i n a t e do b j e c t i tw a so p e r a t e de a s i l ya n dm a i n t a n c e 、柝t h l o wc o s ta n dw i t h o u tl a s e r i nm e m p r o c e s s ，t h ec r i t i a le l e m e n t sa r ef o r m i n gp r e c i s i o na n d p r o c e s sp a r a m e t e r h o w e v e r , a tp r e s e n t ，b o t h a r en e e d e dm o r ei m p r o v m e n ta n d d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，s t u d i n gt h e mi su r g e n tt h et e c h n o l o g i c a lt a s ka n dt r e n di nt h e f u r t u r e t h i sp a p e r f i r s t l y ，i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n d d e v e l o p m e n tt r e n do fr a p i dp r o t o t y p i n ga sw e l la st h ek e y p o i n t ，m e mt e c h n o l o g y s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n s t r a i n tf a c t o r so fp r e c i s i o no fw o r k p i e c e ， i n c l u d i n ge r r o r sf r o md a m s ，p r o c e s s i n gc o n d i t i o na n dp o s t - t r e a t m e n t t h u s ，a c c o r d i n gt ot h e a b o v ei s s u e s ，s o m ec o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e d t h ep r o c e s sp a r a m e t e ri n f l u c i n gt h e p r o d u c tq u a l i t ya l ew o k r do u t ，a c c o r d i n gt od i m e n s i o na c c u r a c y f u r t h e r l y ，b e c a u s et h e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n - o fm e mt e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r ea r e r e f l e c t e do nt e s t o b j e c t s ，t h en e ws o f t w a r ef o rr a p i dp r o t o t y p i n 乎a u r o r ai si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；m o l d i n gp r e c i s i o n ；a u r o r a ；p r o c e s sp a r a m e t e r s w r i t t e n b y ：c h e nm e i g a n s u p e r v i s e db y ： g ud e y u 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 新世纪以来，科学技术迅速发展，人民生活水平不断提高，迫使制造业的外部形 势发生了巨大的变化。消费者的需求日益主体化、个性化和多样化，迫使产品制造商 们不得不逐步抛弃原来以“规模效益第一 、“价格竞争第一为特点的少品种、大批 量的生产方式，遵循“市场响应速度第一 ，将时间因素提到首要位置，迅速地设计 出符合消费者需求的产品，而且很快地生产制造出来，抢占市场。为此，在这种环境 背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，能够快速提供更高性价比产品的企业， 将会在市场竞争中占有优势【1 5 】。 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y i n g 简称r p ) 是在这种需求下研究发展起来的，它 是先进制造技术的重要分支，利用快速成型技术可对产品设计进行立刻评价和修改， 并自动迅速地将设计转化为具有相应的结构和功能的原型件或直接制造出零部件，从 而大大地缩短新产品的开发周期，降低了产品的开发成本，使企业能够对市场需求快 速响应，提高产品在市场上的竞争力和企业自身的综合实力【6 】。 1 2 快速成型概述 1 2 1 快速成型概念 快速成型技术是集c a d c a m 技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术 领域的最新成果于一体的零件原型制造技术【7 】。快速成型不同于传统的用材料去除 方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型。 1 2 2 快速成型技术的原理及工艺过程 1 2 2 1 快速成型技术的原理 简单地讲，快速成型属于叠加成型，准确地讲，快速成型应该属于离散堆积成 型。它从成型原理上与传统加工技术完全不同，属于一种全新的思维模式，即将计算 机上制作的零件三维模型按照一定的规律离散为一系列沿z 方向按一定厚度的层片 信息，根据每一层的廓信息生成加工路径，最后由成型系统有序地加工出每层模型， 第一章绪论 熔融挤压快速成型精度分析及加工 并逐步顺序叠加成为坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件【8 - 9 】。其基本过程如图 1 2 1 所示。 快速成型 l i 零件的后处理 图1 2 1 快速成型技术原理 1 2 2 2 快速成型的工艺过程 快速成型的工艺过程具体如下【6 】： 1 ) 产品三维模型的构建。由于r p 系统是f 1 3 - - 维c a d 模型直接驱动，因此要构 建所加工工件的三维c a d 模型。该三维c a d 模型可以利用计算机辅助设计软件( 如 p r o e ，i - d e a s ，s o l i dw o r k s ，u g 等) 直接构建，也可以将已有产品的二维图样进 行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、c t 断层扫描，得到点云数据， 然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 2 ) 三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对 模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于s t l 格式文件格式简单、实 用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来 逼近原来的模型，每个小三角形用3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小 可以根据精度要求进行选择。s t l 文件有二进制码和a s ci i 码格式，其中二进制格式 的输出形式的文件所占用的空问小得多，但a s c i i 码格式文件可以阅读和检查。典型 的c a d 软件都带有转换和输出s t l 格式文件的功能。 2 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第一章绪论 3 ) 三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型 高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。 间隔一般取0 0 5 - 4 ) 5 m m ，常用o 1 m m 。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长， 效率就越低，反之则精度低，但效率高。 4 ) 成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头( 激 光头或喷头) 按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上逐层地堆积材料，然后将各 层想粘结，最终得到原型产品。 5 ) 成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或 放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。 快速成型工艺流程如图1 2 2 所示 图1 2 2 快速成型工艺流程 第一章绪论 熔融挤压快速成型精度分析及加工 1 2 3 快速成型技术的特点 快速成型技术具有以下几个重要特征【6 ，1 0 1 2 】： 1 ) 技术高度集成。快速成型技术采用离剀堆积成型原理将十分复杂的三维制 造过程简化为二维过程的叠加，实现对任意复杂形状零件的加工。整个生产过程数字 化，快速成型，集成了计算机、数控、材料技术等现代高科技成果，是一种典型的多 学科交叉运用技术。越是复杂的零件越能显示出r p 技术的优越性。此外，r p 技术 特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。 2 ) 快速性。快速成型技术与传统的加工模式完全不同，其制造过程几乎与零件 复杂性无关，通过对一个c a d 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工 信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，可节约7 0 时间以上，具有快速制 造的突出特点。 3 ) 高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工 模具、原型或零件。 4 ) 快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提 取( 气、液、固相) 过程与制造过程一体化和设计( c a d ) 与制造( c a m ) 一体化。 5 ) 与反求工程( r e v e r s ee n g i n e e d n g ，也称逆向工程) 、c a d 技术、网络技术、 虚拟现实等相结合，成为产品快速发展的有力工具。 因此快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重 要影响。 1 2 4 快速成型技术在国、内外研究发展现状 1 2 4 1 快速成型技术在国外的发展 快速成型技术通过近3 0 年的发展，以其离散堆积制造原理的崭新制造模式， 已经形成一种新的制造行业。美国、欧洲和日本较早开始了快速成型技术的研究工作。 美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 年) 、日本的小玉秀男( 1 9 8 0 年) 、美国u v p 公 司的c h a r l e sw h u l l ( 1 9 8 2 年) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 年) ，在不同的地点，各自 分别提出了有选择地逐层固化光敏聚合物的原理来制造三维物体的快速成型概念，随 后u v p 公司的c h a r l e sw h u l l 在l l i p 的支持下，开发了光周化快速成型系统 ( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) ，1 9 8 6 年该系统申请并获得专利，这是快 4 熔融挤压快速成型精度分析及加工第一章绪论 速成型技术发展的一个重要的里程碑，当年，建立了3 ds y s t e r m 公司，并于次年3 d s y s t e r m 公司推出了第一套应用光固化技术的设备s l a 。1 9 8 4 年，美国的m i c h a e l f e y g i n 提出了分层实体制造( l a m i n a t do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) 的方法， 并于次年成立了h e l i s y s 公司，其他i 冲制造商有提供s l s 工艺快速成型设备的美国 d t m 公司，提供3 d p 工艺快速成型设备的美国z 公司，日本的旭电化公司，三洋化 公司，瑞士的c i b a - g e i g y 公司等。目前，s l a 、l o m 、s l s 和f d m 四种技术成为快 速成型技术的主流 3 ，6 7 】。 1 2 4 2 快速成型技术在国内的发展 我国的快速成型技术开始于上世纪9 0 年代初，尽管起步比较晚，但是已取得了 很多很好的成绩。清华大学开展了s l a 、l o m 、f d m 等多种成型工艺的研究，开发 了多功能快速成型机”m r p m s i i ”，该系统具有分层实体制造s s m ( l o m ) 和熔积成型 m e m ( f d m ) 两种功能，这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成型工艺 的系统。此外，清华大学还开发出基于f d m 发的熔丝沉积制造系统m e m 2 5 0 和基 于l o m 法的分层实体制造系统s s m 5 0 0 等；华中理工大学进行了l o m 工艺的研究， 研制了z i p p y 快速成型系统；北京隆源公司开发了s l s 工艺的a f s 快速成型机；西 安交通大学开展了s l a 工艺的研究，开发成功了l p s 系列和c p s 系列的快速成型机， 并且成功开发了性能优越、成本低廉的光敏树脂；南京航空航天大学从事s l s 工艺 及设备的研究，开发了选择性激光烧结法( s l s ) 的r a p 系统。其他如上海交通大 学、重庆大学、浙江大学、大连理工大学都在进行快速成型工艺的研究【6 7 】。 我国在快速成型技术方面的研究基本处在跟踪国外先进技术和工艺阶段，现在 一些有实力的大学和研究机构也在创新工艺的研究，如中国科学院沈阳自动化研究所 快速成型实验室在国家8 6 3 计划的支持下开展的纳米晶陶瓷材料、金属材料、异质材 料( 复合材料和功能梯度材料等) 等快速成型技术的研究工作，取得了一定的效果。 1 2 5 快速成型技术存在问题及发展趋势 1 2 5 1 快速成型技术存在问题 快速成型技术主要存在的问题如下【3 】： 1 ) 成型材料 目前快速成型材料主要是有机高分子材料，与常规由金属和工业塑料制造的零件 第一章绪论熔融挤压快速成型精度分析及加工 相比，会比较脆弱，而其价格比较昂贵。 2 ) 成型系统 快速成型系统制造与c a d 设计相同精度的零件的能力受到许多因素的限制，由 于数学误差以及与工艺有关或材料有关的误差，目前的快速成型系统普遍精度不高。 3 ) 成型软件 目前在使用的各公司的快速成型软件没有统一的数据格式，且功能简单，数据转 换成s t l 文件缺陷较多，不能精确描述c a d 模型，本文所用的软件具有自动校验和 修复的功能，从一定程度上改善了快速成型的精度和质量。 1 2 5 2 快速成型技术的发展趋势 快速成型技术经过近3 0 年的发展，正朝着实用化、工业化、产业化方向迈进。 其未来发展趋势归纳如下 1 3 1 7 - 1 ) 创新工艺 快速成型技术的发展离不开其他先进设计、制造、工艺技术的支持，而且，它们 之间的结合越来越紧密。 2 ) 新型材料的开发 合适的材料是快速原型制造的关键。快速成型技术白2 0 世纪8 0 年代以来，主要 是围绕树脂、塑料、纸、蜡较易成型的材料的成型工艺进行研究，但由于成型材料所 限，其应用难以进一步拓展。目前，研制替代进口的光固化树脂，是r p 技术推广的 当务之急，开发全新的r p 新材料如复合材料、纳米材料、非均质材料、非均质材料、 活性生物材料，是当前国内外l i p 成型材料研究的热点。 3 ) 软件系统的开发 软件系统对实现离散、堆积成型有着关键影响，同时对成型速度、成型精度、零 件表面质量等方面也有很大影响。现在的切片方式都是平面的，今后可能发展曲面切 片、不等厚分层等方法，从曲面模型直接截面、分层，用更精确、更简洁的数学描述， 提高造型精度。 4 ) 不同制造目标的发展 当前，r p 制造目标主要有三个方面，即快速概念设计成型制造、快速模具成型 制造、快速功能零件成型制造。其中快速概念设计原型制造与快速模具原型制造技术 已在实际中应用，市场潜力巨大，是近期研究和市场化重点。快速功能零件原型制造 6 熔融挤压快速成型精度分析及加工第一章绪论 技术难度较大，近期仅限于研究领域。 5 ) 大型模具制造和微型制造的发展 由于大型模具的高难度和高成本，以及r p m 在模具制造方面的优势，可以预测 r p m 将向大型原型制造方向发展。r p m 的另一个重要发展方向是微型化，适应环境和 桌面化的微型“三维打印机 正日益受到r p 设备开发商和用户的关注，这种产品价 格便宜、外观小巧、成型空间小并有一定的造型精度。这方面以色列的概念模型机世 界领先，清华大学激光成形中心也在开发适合中国国情的“三维打印机”，它有较高 的性价比。 6 ) 反求技术的发展 麻省理工学院( m i t ) 的r p 课程均将反求与快速成型技术融合。由实物、照片或 c t 数据等组成的反求几何模型，常用于仿制、维修和新产品开发，可大大缩短产品 开发周期，降低成本。在快速成型领域已经称为研究的热点。 7 ) 生长成型 伴随着生物工程、活性材料、基因工程、信息科学的发展，信息制造过程与物理 制造过程想结合的生长成型方式将会产生，制造与生长会紧密相连。以全息生长元为 基础的智能材料自主生长方式是r p m 新的里程碑。 8 ) 速度、精度、可靠性的提高 大力改进快速原型制造系统，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且廉价的制 造设备，将解决制造系统昂贵、精度偏低、制品物理较差、所使用材料有限等问题。 9 ) 远程制造 随着网络技术的发展，人与人之间的信息越来越畅通，通过信息高速公路形成 快速成型制造信息网络，使用户可以通过网络得到产品的c a d 模型数据传给制造商， 制造商可以根据用户的要求快速制造各种制品，从而实现远程制造。 1 3 熔融挤压快速成型技术 丝状材料选择性溶覆、熔融挤出成模( m e l t e de x t r u s i o nm o l d i n g ，简称m e m ) 或简称熔积成型又称熔融沉积快速成型( f u s e dd e p o s t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) ，由 美国学者s c o t tc r u m p 于1 9 8 8 年研制成功并提出。研究这种工艺的主要有s t r a t a s y s 公司和m e dm o d e l e r 公司并且这种技术以美国s t r a t a s y s 公司开发的产品制造系统应用 7 第一章绪论 熔融挤压快速成型精度分析及加工 最为广泛【6 】。 1 3 1 熔融挤压成型工艺原理 熔融挤压成型工艺原理如图1 3 1 一iiiiiiiiiiiiii ? i r 厶一l y 锉 f d a ! 【l e n l 喷头 h a l e d k 缸 图1 3 1 眦m 工艺原理图 熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如腊、a b s 、p c 、尼龙等，以 丝状供料。材料在喷头内呗加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将 熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都在上一层上堆 积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积 和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分 的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构一“支撑”，对后续层提供定位和支 撑，以保证成型过程的顺利实现。 这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用腊成形的零件原型，可以 直接用于失蜡铸造。用a b s 制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估 等方面得到广泛应用。近年来又开发出p c ，p c a b s ，p p s f 等更高强度的成型材料， 使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发 r 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第一章绪论 展极为迅速。 1 3 2 熔融挤压成型工艺特点 1 ) 塑料丝材：用a b s 材料，原型强度可达到普通工艺制造的材料强度的8 0 ， 具有良好的粘接性和耐久性【1 8 】。 2 ) 后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间按剥离支撑后，原型即可使用。 而现在应用较多的s l 、s l s 、3 d p 等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且 需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉 末或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。 3 ) 成型速度较快：具有较高的成型速度，本文所采用的机型可以达到3 0 - - - 8 0 立 方厘米小时。对于厚壁或实体零件，可以达到1 0 0 , - - 2 0 0 立方厘米川、时的高速度。 4 ) 加工周期短，成本低：成本与产品复杂，一般制造费用降低5 0 ，加工周期 节约7 0 以上【1 9 】。 熔融挤压成型工艺是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应 用比较广泛的快速成型工艺。 1 4 本课题的主要工作 成型精度是快速成型技术中非常关键的问题，也是快速成型技术发展的一个难 点。本课题主要通过对快速成型技术的数据处理、快速成型和后处理三个过程中各项 误差及其影响因素进行分析，通过一个实例讲述对快速成型过程工艺的优化，提高快 速成型的加工精度。 本文所使用的北京殷华公司出品的m e m 3 2 0 a 熔融挤出快速成型机，图1 4 1 、 图1 4 2 和图1 4 3 为本文所使用的熔融挤出成形机的外观图、丝材和内腔。 9 第一章绪论熔融挤压快速成型精度分析及加工 图1 4 1m e m 快速 图1 4 2a b s 丝材图1 4 3 工作室内腔 成形机夕l - , t 通过不同的工艺参数组合来改善制件的尺寸精度和表面质量。 依据上述研究内容，论文各章的研究内容如下： 第一章：主要讲述快速成型技术的综述。介绍了快速成型技术的概念、原理特点 及国内、外的研究应用现状，然后介绍了本文所研究的熔融挤出成型技术。 第二章：详细介绍了影响m e m 成型件精度的各种因素。本章从数据处理产生的 误差、m e m 设备工艺条件所导致的误差、后处理过程中的误差三个部分比较详细地 分析了m e m 成型过程中影响成型精度的各种因素。 第三章：详细介绍了本文快速成型系统所用的软件a u r o r a 软件，从软件的功能， 软件的使用，工艺参数的选择以及一些需要注意的问题。 第四章：通过一个实例讲述快速成型、工艺参数选择，如何改善制件的精度。 1 0 熔融挤压快速成型精度分析及加工第二章影响m e m 成型件精度的因素 第二章影响m e m 成型件精度的因素 2 1 快速成型的精度 r p 技术自从诞生以来，精度一直是人们关注的焦点，特别是在模具制造方面的应 用，没有精度，这种技术也就失去了意义。不论是研究者们，制造商，还是用户，精 度似乎成为谈论该项技术的开头语。然而，正确理解“精度”这一含义应包含两个意 思：一是精度本身的含义；而是评价精度的方法及标准【1 】。 就精度本身来讲，在快速成型领域，应包括快速成型系统的精度，以及系统所能制 作出得零件精度，及成型精度。 2 1 1 快速成型系统的精度 快速成型系统的精度应包括软件和硬件两部分，对于不同的实现方法具体的精度 项目有所不同。所谓软件部分主要是指模型数据的处理精度，类似于传统制造领域中 的原理误差。而硬件部分的精度主要指成型设备的各项精度。 软件部分主要是指c a d 模型及层片信息的数据表达精度，而硬件部分的精度项目 与具体的实现方法有关。 2 1 2 零件的精度 成型零件的精度仍然类似于制造领域中传统的零件精度概念，不外乎尺寸精度、 形状位置精度以及表面质量【2 0 】。 2 2 零件误差形成机理及影响因素分析 2 2 1 零件误差产生原因分类 按照原型零件的形成过程，即从c a d 电子模型到三维实体模型( 原型零件) 的转 换过程，零件产生误差的主要因素见图2 2 1 第二章影响m e m 成型件精度的因素熔融挤压快速成型精度分析及加工 图2 2 1 影响m e m 成型的主要误差因素 2 2 2 数据处理产生的误差 数据处理是快速成型的第一步，是指从c a d 模型获取成型机所能接受的控制数据， 其数据的精度直接影响到控制的精度，自然也就影响零件的精度。在这一过程中，产 生误差的原因主要有两个：一个是c a d 模型转化成s t l 文件带来的误差，一个是分层 处理产生的误差。 2 2 2 i c a d 模型转化成s t l 文件所带来的误差 s t l ( s t e r e o lit h o g r a p h y ) 文件是通过三维模型表面的三角网格化获得的，它储 存的是三角形面片的顶点坐标和法向矢量 2 1 1 ，与c a d 系统无关。s t l 格式是快速成 型领域的数据转换标准，几乎所有的商用c a d 系统都支持该格式，如u g 、p r o e 、 a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 等。在c a d 系统或反求系统中获得零件的三维模型后，就可以 将其以s t l 格式输出，供快速成型系统使用。s t l 模型是三维c a d 模型的表面模型， 由许多三角面片组成。用小三角形面片去逼近原型设计，逼近的精度由原型到三角形 边的弦高控制。如图2 2 2 所示。 1 2 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第二章影响m e m 成型件精度的因素 弦高指的是近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。 假设给定一个c 2 连续参数曲面p 0 ，1 ，) 以及曲面与三角形t 之间的弦高占，则三角形 的最大边长为q ，其计算公式如下 2 2 1 - |-l赤2(m2 m ： 2 汜， l + m 3j 鼎即船i 俐l 亿2 ) 炉淝i 管0 亿3 ， 炉淝l 宁0 汜4 ) 它是原设计c a d 模型表面三角化后的一种近似表示，所以输出s t l 模型时会有精 度损失。 图2 2 3 所示的是采用不同的弦高所生成的实体的两种s t l 文件格式，a 中所采 用的弦高为l m m ，b 中所采用的弦高为0 0 2 4 7 m m ，根据图显示，对于同一个三维实体 模型，参数弦高设置不同，结果相差甚远，误差相差很大。b 图中的三角面片的数量 明显多于a 图，形状高度更接近于原型的设计。然而，尽管增加三角面片数目可减少 输出误差，提高输出精度，但是仍然不能完全消除这些误差，参数弦高取值取值越小， 生成的s t l 文件模型的三角形面片数目越多，越逼近自由曲面，精度越高，s t l 文件 就越大。这样软件处理数据的速度就会降低，加工的时间也会相应增加，因此对于参 数弦高的选择，要根据具体实际的情况和要求而定。本文选用的成型机i 怔m 3 2 0 最适 第二章影响m e m 成型件精度的因素 熔融挤压快速成型精度分析及加工 合的输出参数弦高为0 0 2 4 7 咖。 ( a ) 1 4 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第二章影响m e m 成型件精度的因素 图2 2 3 不同的弦高所生成的s t l 文件 2 2 2 2s t l 模型在分层过程中的误差 分层是三维实体与一系列平行平面求交的过程，它是快速成型制造中非常关键的 一个环节，快速成型技术中分层有两种：一种是c a d 模型的直接分层，另一种是s t l 模型的分层，如图2 2 4 所示，任何零件的c a d 模型在造型软件中生成之后，必须经 过分层切片处理之后才能将数据输入到快速快速成型机中。 图2 2 4c a d 模型到r p 系统的数据传榆 第二章影响m e m 成型件精度的因素 熔融挤压快速成型精度分析及加工 1 ) 成型方向对精度的影响 在处理分层之前，首先要选择一个合理的分层方向，由于不易控制工件z 方向的 翘曲变形等原因，使工件的x - y 方向的尺寸精度比z 方向更容易控制，一般情况下， 会尽可能地将精度要求高的轮廓放置在x - y 平面内。如图2 2 5 所示，同样形状尺寸 的零件，层厚同为0 3 0 0 r a m ，按( a ) 图的方向分层，共分2 7 层，按( b ) 图的方向 分层，共分2 6 8 层。( a ) 图与( b ) 图相比较，其斜坡表面比较少，所需支撑很少， 则支撑和外伸表面之间的接触就少，在后处理过程中，去支撑、打磨的工作量就会减 少，零件表面质量相对就比较好。 s t l 文件层片文件信息 ( a ) s t l 文件 c l i 层片文件 层片文件信息c l i 层片文件 ( b ) 图2 2 5 三维模型的分层处理 注：图2 2 5 中c l i ( c o m m o nl a y e ri n t e r f a c e ) 文件格式是目前快速成型设备 普遍接受的一种数据接口，它是三维模型分层之后的数据储存格式，独立于制造系统 和应用程序，只作为s t l 文件切片之后的数据存储格式，一般不独立应用，通常c l i 文件作为加工路径的存储格式【2 2 】。 2 ) s t l 模型在分层过程中的误差 1 6 熔融挤压快速成型精度分析及加工第二章影响m e m 成型件精度的因素 s t l 文件由c a d 模型拟合而成，它是将模型离散成为由三角形面片组成的多面体 模型，相对于c a d 原型在形状和尺寸精度都有所降低，这就意味着s t l 文件的切片分 层处理是在形状和尺寸在精度上已经发生偏差的基础上进行，零件原型必将在形状和 尺寸上产生误差，如图2 2 6 所示， c a d 模型的截面轮廓s t l 模型的截面轮廓 图2 2 6c a d 模型的截面轮廓和s t l 模型的截面轮廓 对于s t l 模型分层所得的多边形轮廓所产生的精度误差如图2 2 7 所示，d l q 是 s t l 模型表面三角形面片的一条边，2 和3 分别为s t l 模型表面上的点和c a d 模型 表面的点，弦高l 3 是最大误差，有此可以实际误差：3 的值： 艿：矣( 2 5 ) 刀七 式中占弦高误差； 另z 轴方向的单位向量； k 一- - - 角形面片的单位法向量。 因此，s t l 模型表面越倾斜，所得截面轮廓的误差就越大。 1 7 第二章影响m e m 成型件精度的因素 熔融挤压快速成型精度分析及加工 图2 2 7s t l 模型截面轮廓误差的产生 2 2 3m e m 设备工艺条件所导致的误差 设备工艺条件对成型精度的影响主要有：扫描直径的限制，成型材料的收缩变形 及热应力分布不均，机械本体误差，成型加工的控制精度等对成型精度的影响与具体 的成型设备和工艺相关。 2 2 3 1 喷头导致的误差 用小三角形面s t l 文件的三维模型通过分层切片处理后，产生的层片文件其轮廓 线为零宽度。然而在加工的过程中，喷头底部带有细微的喷嘴( 直径一般为 0 2 - 0 6 m m 2 3 】) ，喷嘴喷出的熔融态丝是有一定宽度的，当喷头沿层片文件的理想轮 廓线运动时，最终形成的实体就会多一个喷嘴半径的宽度，如图2 2 8 ，确切地说应 是挤出丝宽度的一半( 挤出丝的宽度要比喷嘴的半径大一点) 。 理论轮廓 际轮廓 图2 2 8 喷嘴引起的误差 这种误差可以通过补偿理想轮廓曲线而消除形成的实际加工轮廓线的误差。但是 挤出截面宽度随着加工过程中在挤出速度、填充速度等因素的变化而变化，文献 2 4 】 基于此做了一定的研究，采用体积相等法得出了水平方向上的丝宽补偿模型公式，如 图2 2 9 。 1 8 熔融挤压快速成型精度分析及加工第二章影响m e m 成型件精度的因素 图2 2 9 丝宽模型图 ( 1 ) 当挤出速度不太大时，截面可直接简化成图中的矩形三，计算公式为： 形：b ：生兰( 2 6 ) 4 h 、f 式中w 丝截面的宽度，即丝宽 b 丝截面矩形区域的宽度 d 喷嘴直径 h 分层厚度 ，。挤出速度 ，填充速度 ( 2 ) 当挤出速度增大到一定值时，则考虑一、二、三部分的总面积，计算公式为： 形：鐾 1 9 ( 2 7 ) 第二章影响m e m 成型件精度的因素 熔融挤压快速成型精度分析及加工 鼎曰：嬖 对于具有一定成型方向的丝宽，文献【2 5 】得出了丝宽补偿公式，并做了相应的实 图2 2 1 0 加工模型的表面轮廓图 图2 2 1 0 中a b 表示具有一定成型方向的丝宽，a c 表示在水平和竖直方向上的丝 熔融挤压快速成型精度分析及加工第二章影响m e m 成型件精度的因素 宽，l 1 表示理论轮廓线，l 2 表示加工过后的实际轮廓线，二者之间的区域体积误差。 随着成型方向的变化，只用a c 来代替a b 进行丝宽补偿会存在一定的尺寸误差，影响 成型精度，所以对于0 。一9 0 。范围内的成型件只需计算a b 的值来进行尺寸的补偿， 对于o 。和9 0 。的情况按照计算丝宽的一半进行补偿。 l 1 的方程为： y = t a n o 。 ( 2 8 ) l 2 为椭圆的切线方程，其表达式为： 1 ，：t 肌秒+ 4 t 2 + ( w t a n 0 ) 2( 2 9 ) 则 咂亿 2 4 t a n 20 + 1 式中：秒成型角度，即成型件表面轮廓线与z 方向的夹角，0 。 英寸 变形：对三维模型进行几何变换。 自动布局：自动对多个模型进行排样。 合并：将多个三维模型合并为一个模型。 分解：将一个三维模型分解为多个拓扑关系上不相连的模型。 分割：将选中的三维模型沿z 方向分成两个模型。 校验并修复：对模型进行校验，如有错误，进行修复。 测量：测量模型的几何尺寸，同时可以修改模型，设定成型方向。 分层：对模型进行分层，生成快速成型系统需要的层片文件。 3 ) 查看菜单 查看菜单用来设定视图，颜色，显示模式等。其命令主要包括( 包含子菜单) ： 标准 标准视图 层片视图 视图 梗型 状态栏篷) 外观主题 标准视图 显示梗式 工作台遭) 色彩 标准、标准视图、层片浏览、层片视图、查看、模型、状态栏：显示或隐藏相应的 熔融挤压快速成型精度分析及加工 第三章a u r o r a 在r p 中的应用 工具条和状态栏。 外观主题：程序的外观设定，包括：默认，o f f i c ex p ，w i n d o w s x p ，o f f i c e2 0 0 3 标准视图：预定义视图，包括：顶视、底视、左视、右视、前视、后视等7 种轴测。 标准视图 溺顶视图 滋底视图 蕊左视图 遴右视图 滋前视图 灞后视图 黛等轴测视图 显示模式：线框，透明，渲染，外框，层片五种显示模型。 工具条方便快速得到常用的命令，如“载入模型 、“输出模型、“卸载模型等。 ；苗载入模型。输出梗型 卸载梗型卸载全部三维梗型 界面左侧为工作区窗口，有三维模型，二维模型，三维打印机三个窗口，显示 s t l 模型列表等；右侧为图形窗口，显示三维s t l 或c l i 模型，以及打印信息。 第一次运行a u r o r a 软件需要从快速成型系统中读取一些系统设置。首先连接好 快速成型系统和计算机，然后打开计算机和快速成型系统，启动软件，选择菜单中“文 件 三维打印机 连接 ，系统自动和快速成型系统通讯，读取系统参数。快速成型系 统的系统参数自动保存到计算机中，以后就不必每次读取了。 第三章a u r o r a 在r p 中的应用 熔融挤压快速成型精度分析及加工 3 2 载入s t l 模型 载入s t l 模型的方式有多种：选择菜单“文件 载入模型”；在三维模型图形窗口 中使用右键菜单，或者三维模型和二维模型列表窗的右键菜单中选择“载入模型 ； 或者按快捷键“c t r l + l ”；或者选择工具条上的“! 堕墅：些。：”按钮。 选择命令后，系统弹出打开文件对话框，选择一个s t l ( 或c s m ，c l i ) 文件。选 择一个或多个s t l 文件后，系统开始读入s t l 模型，并在最下端的状态条显示已读入 的面片数( f a c e t ) 和顶点数( b e r t e x ) 。读入模型后，系统自动更新，显示s t l 模型。 三蔫嘲l l 堕 ；一i 。 “j 飘；有j 翥金磊罢梗型 l 卸我所有梗型l 矗嘎l5 方 1 名称15 万 目录。c ：、d o 川n t s ds “t i n g l “m 面片3 2 个 顶点1 6 个 体积34 2 立方厘米 衰面4 90 2 平方厘米 表面可拆分力1 0 个 平均厚度 14 0 毫米 尺寸。3 00 0x3 00 0 2 00 0 毫米 最小：00 0x00000 0 毫米 最大3 00 0 3 000200 0 毫米 格式二进制 注释t 0 1 ial5 方 c ，三- 髓 盘滔= 胃曝舞，。，。 。璃急舅要爨爨。曾垃盖。姓。j 矗；。巍灿。? 溢吐二越t i 珏厶i 。也“珊，。址，。柚，。毫。 图3 2 1 ：三维模型窗口和列表中的右键菜单 当系统载入s t l 模型后，会将其名称加入左侧的三维模型或二维模型窗口。用户可 以在三维模型窗口内选择s t l 模型，也可以用鼠标左键在图形窗口选择s t l 模型。 熔融挤压快速成型精度分析及加工第三章a u r o r a 在r p 中的应用 z 件q )撰强堪)工 旺)童葺理)帮助鲫 匪强隧麟骧嗣联髂溺翰黝爨嬲， ! 缝搜目 利i 孔l 黧 露j ；萋墨 - 锱蠢篾荔鬻l 滋j ：辫；搿嚣囊麓j 瓣鬻 n l ”一i1缆譬黪 琶。”瓤：谚j _ ：。簪鬟荔基鬓 骤 二i = i 晡品 黪。 参 霪 搐j 攀，i j ：i 鞫瞄圈 _ a t i j 耐 _ 4 - _ e【 。蹦。11： j ：_ 鬻链銎鬯啊 - 蕊一 p d ：im r 瑚目- if 翳鬣灏两翻赫爨黪嘲臻黪翳獠露翳臻勰 l 甄；两酾畹臻嗡勰鞣孵搿零霹謦纂臻释翳释黑 鞠瓣霹臻孵馨鹭舞辨群籍臻联甄群骤嘲 = 曩峨嚣张翳瞒嬲 第三章a u r o r a 在r p 中的应用熔融挤压快速成型精度分析及加工 3 3 1 视图变换 通过视图变换，可旋转、放大、缩小模型的任何部位，让用户更详细的了解模型的 细节和整体结构。 视图变换命令有： 最合适窗口 窗口放大 放大 缩小 拉近拉远 旋转 平移 线框 透明 渲染 外框 层片 透视 剖面显示 色彩设定 视图变换命令可以通过选择相应的菜单或工具条命令激活，也可以使用鼠标和键盘 直接激活。由于这些视图变换命令需要鼠标中键和滚轮实现。 从菜单或工具条激活视图变换命令，可以使用鼠标左键完成剩余工作。 鼠标操作： 鼠标中键是a u r o r a 软件的视图变换快捷键。按下中键，然后配合键盘操作，就可 以完成各种的视图操作。 旋转：在图形窗口按下鼠标中键，然后在窗口内移动鼠标，就可以实时旋转视图。 平移：按住c t r l 键，然后在图形窗口按下鼠标中键，移动鼠标，就可以实时平移 视图。 放大缩小：向前或先后旋转滚轮，即可放大或缩小视图。 键盘操作： 该功能使用右侧的小键盘。各个键功能如下： 3 2 熔融挤压快速成型精度分析及加工第三章a u r o r a 在r p 中的应用 5 键：固定键，视图回到项视方向。 1 ，3 键：缩放键，1 为放大，3 为缩小。 7 ，9 键：旋转键，旋转轴垂直于平面，7 为逆时针，9 为顺时针。 2 ，4 ，6 ，8 键：组合键。 当n u m l o c k 键关闭时，为方向键，可以平移视图，方向如该键上的方向所示。 当n u m l o c k 键锁住时，为旋转键，4 ，6 为左右旋转键，4 为左旋，6 为右旋。2 ，8 为上下旋转键，2 为下旋，8 为上旋，旋转方向和键上的箭头所示相符。 3 3 2 剖面显示 剖面显示在观察复杂模型的内部结构时非常有用，单瓤钮后，系统弹出“裁 剪面设定”对话框，如图3 3 1 所示 图3 3 1 ：裁剪面设定对话框 3 3 第三章a u r o r a 在l i p 中的应用熔融挤压快速成型精度分析及加工 该对话框中个选项功能如下： 轴向：确定裁剪面( 及剖面) 的法向，分为x 轴，y 轴，z 轴。 位置：确定剖面的位置，可以输入，